FR3074058A1 - Methode amelioree de dimensionnement d'une colonne de regeneration d'une unite de captage de gaz acide ou de traitement de gaz - Google Patents

Methode amelioree de dimensionnement d'une colonne de regeneration d'une unite de captage de gaz acide ou de traitement de gaz Download PDF

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Abstract

L'invention concerne une méthode de dimensionnement d'une colonne de régénération d'une unité de captage de CO2 ou de traitement de gaz par un solvant chimique à base d'amines comprenant au moins deux contacteurs de type garnissages afin d'améliorer le transfert gaz - liquide. L'invention permet ainsi de travailler uniquement dans une gamme haute de taux d'engorgement (entre 50 et 80%) grâce à un agencement optimisé des contacteurs dans la colonne de régénération, et ainsi de réduire la hauteur de la colonne et/ou réduire l'énergie à fournir au rebouilleur. L'invention concerne également l'utilisation de ladite méthode pour le dimensionnement de la colonne de régénération d'une unité de captage de CO2, d'une unité de traitement de gaz acides de raffinerie, d'une unité de traitement de gaz naturel, ou d'une unité de purification de biogaz.

Description

Domaine technique de l'invention
L’invention concerne le domaine des procédés de lavage de gaz aux amines.
Cette invention concerne plus particulièrement le domaine des procédés de captage de gaz acides (CO2 ou H2S) sur des gaz de raffinerie ou des fumées en post-combustion et les procédés de traitement de gaz naturel ou de purification de biogaz par des solvants chimiques à bases d'amines. Dans le cas spécifique, mais non limitant du captage en post-combustion, l’installation permettant la mise en oeuvre du procédé comprend principalement une colonne d'absorption dans laquelle les fumées issues de centrales thermiques (ou le gaz brut à traiter) sont mises en contact avec un solvant chimique qui se charge en CO2 (H2S), et une colonne de régénération dans laquelle le CO2 (H2S) est extrait du solvant par élévation de la température et strippage à l'eau. Ce type de procédé nécessite la fourniture d’une quantité de chaleur importante au niveau de la colonne de régénération. Cette fourniture est assurée par un fluide caloporteur tel que de la vapeur d'eau saturée ou de l'huile qui amène le solvant au-delà de son point d'ébullition dans un rebouilleur.
Art antérieur
Le principal enjeu du procédé de captage de CO2 en post-combustion est de réduire au maximum le coût de captage du CO2 pour un taux de captage donné (i.e. 90%). Les coûts opératoires liés à ce procédé et notamment la chaleur à apporter à la colonne de régénération représentent environ 60% du coût global du procédé ; les 40% restants correspondent principalement aux coûts d'investissement des colonnes d'absorption et de régénération, ainsi que des internes associés. Dans le cadre du développement des procédés de captage, des efforts importants ont été portés soit pour la réduction de la chaleur à fournir au rebouilleur via l’identification de solvants très performants, soit pour l'optimisation du dimensionnement de la colonne d'absorption. Le dimensionnement de la colonne de régénération a quant à lui été peu étudié dans la littérature, puisque celui-ci nécessite de disposer d'un modèle de colonne à plateaux réels difficile à mettre en place. La hauteur de la colonne de régénération est alors généralement déterminée par une approche à plateaux théoriques. Cependant, cette approche ne permet pas un dimensionnement précis de la colonne puisqu'on ne peut pas relier une hauteur de plateaux théoriques à une hauteur de colonne sans connaître l'efficacité réelle de chaque plateau. La colonne est alors souvent surdimensionnée afin de minimiser l'énergie à fournir au rebouilleur. En effet, cette énergie diminue en augmentant la hauteur jusqu'à atteindre une valeur asymptotique minimale (Figure 1). A contrario, si la hauteur de la colonne n'est pas suffisante pour régénérer correctement le solvant, il devient nécessaire d'augmenter l'énergie à fournir au rebouilleur, ce qui pénalise le coût énergétique du procédé.
La réduction des coûts de captage étant un enjeu majeur pour la mise sur le marché de ce procédé, de nombreuses études ont été réalisées pour améliorer ce point. Cependant la majorité des études se sont focalisées sur la réduction des coûts opératoires, soit par l'utilisation de solvants innovants moins énergivores (Rochelle G.T., 2011), soit par une configuration bien spécifique du régénérateur (Karimi M., 2011) (Le Moullec Y., 2011) (multipressure, split-flow, vacuum...). Le dimensionnement du régénérateur est usuellement réalisé selon les règles définies par l'homme du métier, comme par exemple décrit dans les brevets et demandes de brevet WO 2007/07004, US 4 152217, WO 2007/075466, CA 2557454.
Il est généralement admis que le processus de régénération du CO2 dans un solvant chimique est très rapide (fonctionnement à haute température), et en tout cas plus rapide que le processus d'absorption. Le choix du contacteur va donc se faire en favorisant un interne plutôt capacitif, développant moins d'aire efficace, mais permettant d'atteindre un débit de vapeur à l'engorgement plus élevé, et ce afin de réduire le diamètre de la colonne. Ce choix se fait au détriment de la hauteur de la colonne qui ne peut de toute façon pas être déterminée de manière précise sans un outil de calcul spécifique. Comme vu précédemment, la hauteur de la colonne de régénération est alors souvent surestimée afin de minimiser l'impact de ce paramètre sur la consommation énergétique du procédé (Figure 1)·
Description de l’invention
Résumé de l’invention
L’invention concerne une méthode de dimensionnement d’une colonne de régénération d’une unité de captage de CO2 ou de traitement de gaz par un solvant chimique à base d’amines comprenant au moins deux contacteurs de type garnissages dans laquelle :
a) On définit le taux de charge en fond de colonne de régénération correspondant à l’énergie de régénération la plus faible pour le solvant donné et pour les spécifications de pureté sur le gaz à traiter ;
b) On discrétise ladite colonne de régénération en nz éléments de hauteur dz pour simuler un écoulement piston où nz est un nombre entier supérieur ou égal à 2;
c) On détermine un facteur d’accélération pour un mécanisme réactionnel et un régime de transfert donnés en fonction des caractéristiques intrinsèques dudit solvant et dudit gaz acide à traiter grâce auquel, pour chaque élément de hauteur dz de la colonne,
d) On effectue un bilan thermique sur l’élément de hauteur dz pour déterminer le profil de température dans la colonne par intégration numérique ;
e) On effectue un bilan matière sur l’élément de hauteur dz pour déterminer le flux entre les phases gaz et liquide pour chacune des espèces i et on détermine un profil de concentration dans la colonne par intégration numérique ;
f) On effectue un bilan de pression sur l’élément de hauteur dz pour déterminer un profil de vitesse gaz dans la colonne par intégration numérique ;
g) On fixe un diamètre de colonne permettant de travailler à un taux d’engorgement compris entre 80% et 90% en fond de colonne pour un contacteur N donné, et on détermine une hauteur de colonne optimale permettant de minimiser l’énergie de régénération par la résolution de l’ensemble des équations algébro-différentielles obtenues aux étapes d), e) et f) ;
h) On détermine la variation du taux d’engorgement sur toute la hauteur de la colonne ;
i) On détermine une courbe d’engorgement pour chaque contacteur N d’un ensemble de contacteurs allant de N à N+m donnant le taux d’engorgement du contacteur en fonction de la vitesse superficielle du gaz;
j) On met en place ledit premier contacteur N permettant à la colonne de travailler à un taux d’engorgement compris entre 80% et 90% en fond de colonne ;
k) On met en place un contacteur N+1 au-dessus du contacteur N en un point de la colonne de hauteur correspondant à un taux d’engorgement du contacteur N compris entre 50 et 60% ; et on répète l’étape k) avec le contacteur N+i jusqu’en haut de la colonne, i allant de 1 à m.
Les caractéristiques intrinsèques dudit solvant et dudit gaz sont avantageusement les coefficients de diffusion, les constantes d’équilibres, les concentrations en solvant et en gaz dans le liquide et à l’interface.
Dans un mode de réalisation, on met en place un contacteur N+1 au-dessus du contacteur N au point de la colonne de hauteur correspondant à un taux d’engorgement du contacteur N+1 compris entre 80 et 90%.
De préférence, ledit taux de charge en fond de colonne de régénération correspondant à l’énergie de régénération la plus faible est défini lors du dimensionnement de la colonne d’absorption de ladite unité de captage de CO2 ou de traitement de gaz.
Ledit gaz peut être un gaz acide choisi parmi le CO2 et l’H2S.
Ledit gaz peut être du gaz naturel ou du biogaz ou des fumées en post-combustion.
L’invention concerne également l’utilisation de ladite méthode pour le dimensionnement de la colonne de régénération d’une unité de captage de CO2.
L’invention concerne également l’utilisation de ladite méthode pour le dimensionnement de la colonne de régénération d’une unité de traitement de gaz acides de raffinerie.
L’invention concerne également l’utilisation de ladite méthode pour le dimensionnement de la colonne de régénération d’une unité de traitement de gaz naturel.
L’invention concerne enfin l’utilisation de ladite méthode pour le dimensionnement de la colonne de régénération d’une unité de purification de biogaz.
Liste des figures
Figure 1 : Evolution de l'énergie de régénération en fonction de la hauteur de colonne de régénération, pour un taux de charge en fond de colonne (otco2) de 0,21.
Figure 2 : Profils de vitesse gaz et d'écart à l'engorgement dans une colonne de régénération garnie avec du garnissage de type Mellapak 250.X
Figure 3 : Courbes d’écart à l'engorgement en fonction de la vitesse gaz dans la colonne de régénération pour différents garnissages structurés
Figure 4 : Profils de vitesse gaz et d'écart à l'engorgement dans une colonne de régénération avec un agencement de garnissages M250X/M350X/M500X - Gain en hauteur de colonne (Exemple 1)
Figure 5 : Schéma de colonnes à iso conditions opératoires et iso performances, avec un seul contacteur (comparatif) et avec un agencement de contacteurs optimisé en utilisant la méthode selon l’invention (Exemple 1).
Figure 6 : Profils de vitesse gaz et d'écart à l'engorgement dans une colonne de régénération garnie avec un nouvel agencement M250X/M350X/M500X - Gain en Qreb (Exemple 2)
Description détaillée de l'invention
L'invention décrite ci-dessous consiste à améliorer les performances de la colonne de régénération d’un procédé de lavage aux amines grâce à un dimensionnement optimisé de la colonne de régénération en définissant un agencement bien spécifique des internes contenus à l'intérieur de ladite colonne de régénération afin d'améliorer le transfert gaz - liquide. L’invention permet ainsi de travailler uniquement dans une gamme haute de taux d’engorgement (entre 50 et 80%) grâce à un agencement optimisé des contacteurs dans la colonne de régénération, et ainsi de réduire la hauteur de la colonne et/ou réduire l'énergie à fournir au rebouilleur.
Il existe deux types de contacteurs pour les applications de captage de CO2 et de traitement de gaz, les plateaux et les garnissages (vracs et structurés).
Plus précisément, la présente invention concerne l'amélioration du dimensionnement de la colonne de régénération via une approche à étages réels permettant de déterminer les profils de température, de concentration et de vitesse dans la colonne.
A cet effet, l’invention permet au moyen d’une discrétisation de la colonne de régénération en n étages réels et d’un ensemble de bilans effectués sur chaque étage réel de déterminer de manière plus précise le dimensionnement de la colonne : bilans matières et bilans enthalpiques coté gaz et coté liquide, à chaque étage de la colonne, couplés à un modèle thermodynamique et à des corrélations de transfert spécifiques au système considéré : phases en présence et contacteurs.
Les processus de transfert de matière et de transfert de chaleur sont modélisés à partir d’un certain nombre d’hypothèses, de corrélations et d’analogies connues de l’art antérieur. Certains modèles utilisés dans l’outil de calcul sont spécifiques aux conditions de fonctionnement du régénérateur, mais dépendent également du type de solvant, du type de gaz acides et du type de contacteur.
La méthode de dimensionnement selon l’invention rend possible la réalisation d’un agencement optimisé de plusieurs types de contacteurs en favorisant l'utilisation d'au moins un contacteur capacitif en fond de colonne, et d'au moins un contacteur plus efficace en tête. En effet, l'observation des profils de vitesse gaz simulés dans la colonne montre que celle-ci peut diminuer fortement entre le fond et la tête de colonne. Cette chute de vitesse gaz est due à une condensation importante de la vapeur de strippage au sein de la colonne.
Les règles de dimensionnement usuelles d’une colonne de régénération sont connues de l’homme du métier. Tout d’abord, selon les spécifications données sur le gaz à traiter, pour un débit de solvant donné, riche en gaz à traiter, alimentant la colonne en tête, il est nécessaire de bien définir le taux de charge résiduel minimal que l’on souhaite atteindre en fond de colonne, appelé ci-après taux de charge en fond de colonne. Ce taux de charge minimal, qui correspond au débit de vapeur produite le plus élevé en fond de colonne, détermine alors le diamètre de la colonne afin d’obtenir un taux d’engorgement correspondant à environ 80% de l’engorgement en fond. Le taux d'engorgement diminue ainsi dans la colonne pour passer d’environ 80% en fond à environ 30% en tête de colonne pour un contacteur N donné. Le taux d'engorgement étant plus faible dans la partie supérieure de la colonne, il est proposé d'utiliser un contacteur moins capacitif, mais plus efficace afin de gagner en hauteur de colonne.
Selon l’invention, avec le profil de vitesse gaz qui est déterminé sur toute la longueur de la colonne, et connaissant les courbes d'engorgement de différents contacteurs, il est désormais possible de connaître la gamme de position dans la colonne où doit se faire le changement de contacteur. Le changement de contacteur correspond à la hauteur pour laquelle le taux d’engorgement dans le contacteur N atteint une valeur comprise entre 60 et 50%, et que le seuil de 80% (de manière pratique une valeur comprise entre 80% et 90%) de l’engorgement du nouveau contacteur N+1 est atteint. Il est également possible de changer plusieurs fois de contacteur dans la colonne si la diminution de la vitesse gaz est suffisamment importante pour le permettre. La colonne fonctionne ainsi entre au maximum 90% et au minimum 50% du taux d’engorgement avec un contacteur donné, ce qui permet d’améliorer l’efficacité de transfert de chaque étage.
Il est cependant important de noter que si le changement de contacteur N est effectué au mauvais endroit dans la colonne, et qu'il se fait en position trop basse, il y a alors un risque d'engorgement au niveau du nouveau contacteur N+1. C'est le cas par exemple pour des régénérations très poussées pour lesquelles on cherche à atteindre des faibles taux de charge en fond.
Puis, il est nécessaire de bien définir la hauteur de colonne optimale pour ce taux de charge résiduel en fond. Cette hauteur correspond au meilleur compromis entre coûts opératoires (OPEX) et coûts d’investissements (CAPEX) comme présenté sur la Figure 1. L'utilisation d'un contacteur plus efficace dans la partie supérieure de la colonne permettra de réduire cette hauteur de colonne optimale sans modifier les conditions opératoires de la colonne.
Détail de la méthode de dimensionnement selon l’invention
La méthode de dimensionnement selon l’invention d’une colonne de régénération d’une unité de traitement de gaz ou de captage de CO2 par un solvant chimique à base d’amines comprenant au moins deux contacteurs de type garnissages comprend les étapes suivantes :
a) On définit le taux de charge en fond de colonne (également appelé « aiean»)correspondant à l’énergie de régénération la plus faible pour le solvant chimique donné et pour les spécifications de pureté sur le gaz à traiter ;
b) On discrétise ladite colonne de régénération en nz éléments de hauteur dz pour simuler un écoulement piston où nz est un nombre entier supérieur ou égal à 2;
c) On détermine un facteur d’accélération pour un mécanisme réactionnel, et un régime de transfert donnés, (en fonction des caractéristiques intrinsèques dudit solvant et dudit gaz acide à traiter) afin de déterminer un flux de gaz acides transféré via le modèle du film, grâce auquel, pour chaque élément de hauteur dz de la colonne,
d) On effectue un bilan thermique sur l’élément de hauteur dz pour déterminer le profil de température dans la colonne par intégration numérique ;
e) On effectue un bilan matière sur l’élément de hauteur dz pour déterminer le flux entre les phases gaz et liquide pour chacune des espèces i et on détermine un profil de concentration dans la colonne par intégration numérique ;
f) On effectue un bilan de pression sur l’élément de hauteur dz pour déterminer un profil de vitesse gaz dans la colonne par intégration numérique ;
g) On résout l’ensemble des équations algébro-différentielles, par exemple par la méthode des différences finies pour un contacteur N, grâce auxquelles ;
o On fixe un diamètre de colonne permettant de travailler à un taux d’engorgement d’environ 80% en fond de colonne, de manière pratique entre 80 et 90% en fond de colonne ;
o On détermine une hauteur de colonne optimale comme présenté sur la Figure 1 ;
h) On détermine la variation du taux d’engorgement sur toute la hauteur de la colonne ;
i) On connaît par ailleurs les courbes d’engorgement pour chaque contacteur N d’un ensemble de contacteurs allant de N à N+m donnant le taux d’engorgement du contacteur en fonction de la vitesse superficielle du gaz;
j) On met en place un contacteur N+1 au-dessus du contacteur N en un point de la colonne de hauteur correspondant à un taux d’engorgement du contacteur N compris entre 50 et 60% ; et on répète l’étape j) avec le contacteur N+i jusqu’en haut de la colonne, i allant de 1 à m.
Pour l'étape a), le taux de charge en fond de colonne de régénération correspondant à l’énergie de régénération la plus faible peut-être défini lors du dimensionnement de l'absorbeur.
Dans un mode de réalisation, on met en place un contacteur N+1 au-dessus du contacteur N au point de la colonne de hauteur correspondant à un taux d’engorgement du contacteur N+1 compris entre 80 et 90%, de manière très préférée dès que le seuil d’engorgement de 80% du contacteur N+1 est atteint.
Ledit gaz peut être un gaz acide choisi parmi le CO2 et l’H2S, des fumées de postcombustion, du gaz naturel ou du biogaz.
Les caractéristiques intrinsèques dudit solvant et dudit gaz sont avantageusement les coefficients de diffusion, les constantes d’équilibres, les concentrations en solvant et en gaz dans le liquide et à l’interface, qui permettent de déterminer un facteur d’accélération pour chaque gaz acide en solution.
Détermination du facteur d’accélération
Pour une amine qui est la MEA, pour le captage du CO2 par exemple on peut supposer le mécanisme réactionnel suivant : 2 MEA + CO2 <=> MEACOO' + MEAH+,
Pour lequel, le facteur d'accélération en régime instantané s'écrit (Ref Tobiesen 2008) :
D MEACOO ΓΕ d JS eq-C MEA
DçQï
Ε[ΜΙ-Λί(Ο:\-\+ -------- ---- ---(1 + 2 D„aco<,- +
Dmea
Plus généralement, le facteur d’accélération s’écrit pour un gaz acide A et une réaction A + zB <-» C + D :
D (cL - Cint ) £ = 1+-^. π B\
z.da (cl a-CT)
Où : E : facteur d'accélération (-)
D, : coefficient de diffusion de l'espèce i dans le solvant (A : gaz acide ; B : amine) (m2/s) z : coefficient stoechiométrique de la réaction (-)
CiL : concentration molaire de l'espèce i dans le bulk liquide (mol/m3)
Ci'nt : concentration molaire de l'espèce i à l'interface (mol/m3)
Keq : constante d'équilibre de la réaction (m3/mol)
Détermination du flux transféré
Le flux transféré peut s’écrire comme suit :
Figure FR3074058A1_D0001
Figure FR3074058A1_D0002
Où : Ni : flux de l'espèce i transféré du gaz vers le liquide (mol/m2.s) kG: coefficient de transfert de matière côté gaz (mol.Pa1.rri2.s1) kL: coefficient de transfert de matière côté liquide (m.s-1) H,: constante de Henry de l'espèce i (Pa.m3.mor1)
P, : pression partielle de l'espèce i dans la phase gaz (Pa)
Pieq : pression d'équilibre de l'espèce i (Pa)
Bilan thermique
Le bilan thermique pour l’élément de hauteur dz peut s’écrire comme suit : £L.Cp^ = -vsl.Cp^ + ΣΝ^ΛΗ, + h ae.(TG - TL) dt dz ,
Où : eL : hold-up liquide (-) ae: aire efficace
T : température gaz ou liquide (K) h : coefficient de transfert thermique (W/m2.K) vsl : vitesse superficielle du liquide (m/s)
ΔΗ, : enthalpie d'absorption/desorption de l'espèce i (W)
Cpi : capacité calorifique de l'espèce i (J/mol.K)
Bilan matière
Le bilan matière pour l’élément de hauteur dz peut s’écrire comme suit :
Figure FR3074058A1_D0003
d(vsl.Cf) dz + Ni ae
Où : CiL : concentration molaire de l'espèce i dans le bulk liquide (mol/m3)
Dax : coefficient de dispersion axiale (m2/s)
Bilan de pression
Le bilan de pression pour l’élément de hauteur dz peut s’écrire comme suit :
Figure FR3074058A1_D0004
dz
Z.R
Pt
ΣΝία· i
Où : vsg : vitesse superficielle du gaz (m/s)
Z : coefficient de compressibilité du gaz (-)
R : constante des gaz parfaits (J/mol.K)
Pt : pression totale (Pa)
Résolution des équations différentielles
La résolution des équations différentielles obtenues grâce aux bilans est effectuée comme suit :
3f (z,r + l)_ f(z,r + l)-f(z,r) ht At
Où : f : fonction mathématiques à résoudre t : temps (s) z : espace (m)
Introduction de coefficients d’activité
Pour tenir compte de la non-idéalité des solutions, l’introduction de coefficients d’activité connus de l’homme du métier peut être souhaitée.
Avantages de la méthode selon l’invention
La méthode de dimensionnement selon l’invention permet ainsi d’obtenir un gain de hauteur par rapport à une colonne classique, à iso-consommation énergétique, et ainsi de réduire les coûts d'investissements de la colonne et des internes.
La méthode permet également de réduire la consommation énergétique dans une phase de revamping (ou d’échange de contacteur) d'une colonne déjà existante en remplaçant les contacteurs de tête.
Ces deux cas de figure sont présentés dans les exemples suivants.
Exemples
Les exemples ci-après illustrent l’application de la méthode de dimensionnement selon l’invention à un cas de régénération sur un système monoéthanolamine MEA 40% pds / CO2. Le débit de solvant est de 25 m3/h.
La colonne de régénération (ou régénérateur) de référence est garnie en garnissage structuré de type Mellapak 250.X, commercialisé par Sulzer Chemtech (ou équivalent comme Flexipac 250HC commercialisé par Koch-Glitsch, B1-250.60 commercialisé par Montz...), qui est un garnissage structuré standard assez capacitif. Les règles de dimensionnement de la colonne d’absorption (ou absorbeur) connues de l’homme du métier indiquent que pour répondre à une spécification visée de 90% de taux de captage dans l'absorbeur, le taux de charge pauvre (en fond de régénérateur) a,ean doit être d'au moins 0,21 molCo2/molMEA·
Le dimensionnement de ce régénérateur en Mellapak 250.X permettant d'être autour de 80% de taux d'engorgement en fond, pour une hauteur de colonne permettant un bon compromis entre OPEX et CAPEX, comme indiqué sur la Figure 1 est de :
• DC0| = 0,75 m.
• Lco| = 13,2 m.
Les conditions opératoires de la configuration de référence sont les suivantes :
• Pression dans la colonne : Preg = 1,8 bar • Température d'alimentation du solvant : Tin = 98°C • Température de sortie du solvant : Tout = 122,4°C • Débit de solvant : Qsoiv = 25 m3/h • Taux de charge riche en tête : arich = 0,49 molCo2/molMEA • Taux de charge pauvre en fond : aiean = 0,21 molCo2/molMEA • Energie à fournir au rebouilleur : Qreb = 2,3 MW • Garnissage M250X : 60 galettes (0.22 m / galette)
La colonne est constituée d'un empilement de galettes de garnissage Mellapak 250.X. La hauteur de chaque galette étant de 22 cm, il faut 60 galettes pour atteindre une hauteur de 13.2 m.
La Figure 2 présente l'évolution de la vitesse gaz et de l'écart à l'engorgement entre le fond et la tête de la colonne. Il apparaît ainsi que la vitesse gaz varie entre 2,2 et 0,9 m/s dans la colonne, ce qui est essentiellement dû au phénomène de condensation de la vapeur d'eau. L'écart à l'engorgement passe alors de 75% en fond à 30% en tête. L'hydrodynamique dans la partie haute de la colonne n'est donc pas optimisée.
L’application de la méthode de dimensionnement selon l’invention permet de déterminer un nouvel agencement de contacteurs afin d'améliorer l'utilisation de la colonne dans la partie haute et donc d'avoir des gains en capacité (CAPEX) et/ou en coûts opératoires OPEX.
Pour cela, nous disposons des courbes d'engorgement de différents contacteurs d'une même famille (Figure 3). L'efficacité augmente en passant de Mellapak 250.X au Mellapak 500.X tandis que la capacité diminue.
La vitesse gaz diminuant dans la colonne, la Figure 3 montre qu'il est possible d'utiliser un contacteur développant plus d'aire efficace dès lors que le seuil de 80% de l'engorgement du nouveau contacteur est atteint.
Exemple 1 : Réduction de hauteur
Dans cet exemple, les conditions opératoires du cas de référence sont conservées. Avec un nouvel agencement de contacteurs, il est possible de diminuer la hauteur de colonne tout en retrouvant le même taux de charge pauvre en sortie.
L'évolution de la vitesse gaz est presque la même dans les deux configurations. En revanche, l'écart à l'engorgement passe de 75% en fond à seulement 55% en tête avec le nouvel agencement (figure 4).
Il est ainsi possible de passer de 13,2 m à 11,44 m, soit un gain d'environ 13% de hauteur de colonne, correspondant à 8 galettes de garnissage en moins.
L'agencement permettant de réaliser ce gain est le suivant :
Type contacteur M250X M350X M500X Total
Nombre galettes 32 14 6 52
Hauteur de colonne 7,04 m 3,08 m 1,32 m 11,44 m
% de section garnie 62% 27% 11% 100%
La figure 5 illustre l'exemple 1 : arrangement avec un seul contacteur (comparatif), arrangement avec trois contacteurs (selon l’invention).
Exemple 2 : Réduction de l’énergie thermique à fournir au rebouilleur (cas revamping)
Dans cet exemple, on se place dans une application de la méthode de dimensionnement à une colonne de régénération existante (revamping), la géométrie de colonne du cas de référence est donc conservée. Avec un nouvel agencement de contacteur, il est possible de diminuer légèrement l’énergie à fournir au rebouilleur de la colonne de régénération Qreb pour retrouver le même taux de charge pauvre en sortie,
Dans cet exemple également, l'écart à l'engorgement passe de 72% en fond à environ 51% en tête. Ce nouvel agencement permet de réduire légèrement la chaleur à fournir au rebouilleur en passant de 2,3 à 2,23 MW, Ce gain reste malgré tout intéressant compte-tenu de la difficulté à diminuer cette chaleur pour un solvant donné, et de l'importance de ce paramètre sur les coûts du procédé,
L'agencement permettant de réaliser ce gain est le suivant :
Type contacteur M250X M350X M500X Total
Nombre galettes 30 20 10 60
Hauteur de colonne 6,6 m 4,4 m 2,2 m 13,2 m
% de section garnie 50% 33% 17% 100%
L’agencement selon l’exemple 2 est le suivant :
• Contacteur du fond le moins efficace : M250X représente 50% à 60% de la section garnie de la colonne, • Contacteurs de tête plus efficaces : 2/3 en M350X - 1/3 en M500X de la section garnie restante.
Dans cet exemple, le changement de contacteur se fait systématiquement une fois que la barrière des 80% du taux d'engorgement du garnissage considéré N+1 est franchie,

Claims (10)

1. Méthode de dimensionnement d’une colonne de régénération d’une unité de captage de CO2 ou de traitement de gaz par un solvant chimique à base d’amines comprenant au moins deux contacteurs de type garnissages dans laquelle :
a) On définit le taux de charge en fond de colonne de régénération correspondant à l’énergie de régénération la plus faible pour le solvant donné et pour les spécifications de pureté sur le gaz à traiter ;
b) On discrétise ladite colonne de régénération en nz éléments de hauteur dz pour simuler un écoulement piston où nz est un nombre entier supérieur ou égal à 2;
c) On détermine un facteur d’accélération pour un mécanisme réactionnel et un régime de transfert donnés en fonction des caractéristiques intrinsèques dudit solvant et dudit gaz acide à traiter grâce auquel, pour chaque élément de hauteur dz de la colonne,
d) On effectue un bilan thermique sur l’élément de hauteur dz pour déterminer le profil de température dans la colonne par intégration numérique ;
e) On effectue un bilan matière sur l’élément de hauteur dz pour déterminer le flux entre les phases gaz et liquide pour chacune des espèces i et on détermine un profil de concentration dans la colonne par intégration numérique ;
f) On effectue un bilan de pression sur l’élément de hauteur dz pour déterminer un profil de vitesse gaz dans la colonne par intégration numérique ;
g) On fixe un diamètre de colonne permettant de travailler à un taux d’engorgement compris entre 80% et 90% en fond de colonne pour un contacteur N donné, et on détermine une hauteur de colonne optimale permettant de minimiser l’énergie de régénération par la résolution de l’ensemble des équations algébro-différentielles obtenues aux étapes d), e) et f) ;
h) On détermine la variation du taux d’engorgement sur toute la hauteur de la colonne ;
i) On détermine une courbe d’engorgement pour chaque contacteur N d’un ensemble de contacteurs allant de N à N+m donnant le taux d’engorgement du contacteur en fonction de la vitesse superficielle du gaz;
j) On met en place ledit premier contacteur N permettant à la colonne de travailler à un taux d’engorgement compris entre 80% et 90% en fond de colonne ;
k) On met en place un contacteur N+1 au-dessus du contacteur N en un point de la colonne de hauteur correspondant à un taux d’engorgement du contacteur N compris entre 50 et 60% ; et on répète l’étape k) avec le contacteur N+i jusqu’en haut de la colonne, i allant de 1 à m.
2. Méthode selon la revendication 1 dans laquelle les caractéristiques intrinsèques dudit solvant et dudit gaz sont les coefficients de diffusion, les constantes d’équilibres, les concentrations en solvant et en gaz dans le liquide et à l’interface.
3. Méthode selon l’une des revendications précédentes dans laquelle on met en place un contacteur N+1 au-dessus du contacteur N au point de la colonne de hauteur correspondant à un taux d’engorgement du contacteur N+1 compris entre 80 et 90%.
4. Méthode selon l’une des revendications précédentes dans laquelle ledit taux de charge en fond de colonne de régénération correspondant à l’énergie de régénération la plus faible est défini lors du dimensionnement de la colonne d’absorption de ladite unité de captage de CO2 ou de traitement de gaz.
5. Méthode selon l’une des revendications précédentes dans lequel ledit gaz est un gaz acide choisi parmi le CO2 et l’H2S.
6. Méthode selon l’une des revendications 1 à 4 dans laquelle ledit gaz est du gaz naturel ou du biogaz ou des fumées en post-combustion.
7. Utilisation de la méthode selon l’une des revendications 1 à 6 pour le dimensionnement de la colonne de régénération d’une unité de captage de CO2.
8. Utilisation de la méthode selon l’une des revendications 1 à 6 pour le dimensionnement de la colonne de régénération d’une unité de traitement de gaz acides de raffinerie.
9. Utilisation de la méthode selon l’une des revendications 1 à 6 pour le dimensionnement de la colonne de régénération d’une unité de traitement de gaz naturel.
10. Utilisation de la méthode selon l’une des revendications 1 à 6 pour le dimensionnement de la colonne de régénération d’une unité de purification de biogaz.
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